DE10261216A1

DE10261216A1 - Kopplungsschaltung für eine Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz

Info

Publication number: DE10261216A1
Application number: DE2002161216
Authority: DE
Inventors: Chihao Dr. Xu
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsschaltung für ein Datenübertragungssystem für die Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz, die folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - netzseitige Anschlussklemmen für die Kopplung an ein Stromversorgungsnetz, DOLLAR A - einen Transformator mit einer ersten und zweiten Wicklung, wobei die erste Wicklung an die netzseitigen Anschlussklemmen gekoppelt ist und der Transformator als in oder auf einem Halbleiterkörper integrierten Transformator ausgebildet ist, DOLLAR A - wenigstens eine Signalverarbeitungsschaltung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsschaltung für ein System zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz (= Power Line Communication).
Derartige Systeme zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz, bei denen ein hochfrequentes Datensignal dem Netzspannungssignal auf moduliert wird, sind beispielsweise in der DE 42 36 310 A1 , der DE 100 14 676 A1 , der US 6,249,213 B1 oder der US 2001/0008391 A1 beschrieben.
Die über das Spannungsnetz, das übliche Wechselspannungen von 110V oder 220V aufweist, übertragenen Daten werden üblicherweise durch eine Signalverarbeitungsschaltung oder Logikschaltung, die Versorgungsspannungen von 3,3V oder 5V aufweist, für die Übertragung bereitgestellt oder nach dem Empfang weiter verarbeitet. Zur potentialmäßigen Entkopplung des Spannungsnetzes und der Niedervolt-Signalverarbeitungseinheit ist bei den genannten Systemen ein Kopplungselement vorhanden, das beispielsweise einen Transformator, einen Optokoppler oder mehrere Kondensatoren umfasst.
Diese bislang verwendeten Kopplungselemente sind allerdings aufwendig, und damit kostenintensiv, in ihrer Herstellung und platzaufwendig.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine kostengünstige und platzsparende Kopplungsschaltung für ein System zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz zur Verfügung zu stellen.
Dieses Ziel wird durch eine Kopplungsschaltung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Kopplungsschaltung für ein Datenübertragungssystem zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz umfasst netzseitige Anschlussklemmen für die Kopplung an ein Stromversorgungsnetz einen Transformator mit einer ersten und zweiten Wicklung, wobei die erste Wicklung an die netzseitigen Anschlussklemmen gekoppelt ist, sowie eine Signalverarbeitungsschaltung. Der Transformator ist dabei als ein in oder auf einem Halbleiterkörper integrierter Transformator ausgebildet. Der Transformator ist dadurch platzsparend und kostengünstig im Rahmen üblicher Halbleiterprozesse herstellbar.
Darüber hinaus kann die Signalverarbeitungsschaltung, die beispielsweise zur Umsetzung von digitalen Sendesignalen in geeignete Übertragungssignale und zur Umsetzung empfangener Analogsignale in weiter verarbeitbare digitale Signale dient, zusammen mit dem Transformator in demselben Halbleiterkörper integriert sein, wodurch eine sehr kompakte Kopplungsschaltung erhalten wird.
Die Signalverarbeitungsschaltung und der Transformator können auch in unterschiedlichen Halbleiterkörpern/Chips integriert sein, wobei die Realisierung dieser beiden Komponenten der Kopplungsschaltung auf je einem Chip eine Integration dieser beiden Komponenten in einem gemeinsamen, für mehrere Chips vorgesehenen Gehäuse ermöglicht, wodurch insgesamt ebenfalls eine platzsparende Kopplungsschaltung erhalten wird.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungsschaltung ist vorgesehen, die erste Wicklung des Transformators direkt an die netzseitigen Anschlussklemmen anzuschließen, wobei zwischen die netzseitigen Anschlussklemmen und das Netz ein Hochpassfilter zur Ausfilterung eines Datensignals aus dem Netzspannungssignal geschaltet sein kann. Der integrierte Transformator überträgt das ausgefilterte hochfrequente Datensignal von der ersten Wicklung, die in diesem Fall die Primärwicklung darstellt, an die zweite Wicklung, die die Sekundärwicklung darstellt. An die zweite Wicklung ist bei dieser Ausführungsform die Signalverarbeitungsschaltung angeschossen, die aus dem an der zweiten Wicklung anliegenden analogen Signal ein weiter verarbeitbares digitales Signal erzeugt.
Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst vorzugsweise einen ersten Signalverarbeitungszweig, der Daten verarbeitet, die von den netzseitigen Anschlussklemmen über den Transformator empfangen werden, und einen zweiten Signalverarbeitungszweig, der Daten verarbeitet, die über den Transformator an die netzseitigen Anschlussklemmen übertragen werden. Die Signalverarbeitungsschaltung dient dabei zur Umsetzung der an dem Transformator anliegenden analogen empfangenen Signale in digitale weiter verarbeitbare Signale, die an einer Ein-/Ausgangsklemme für weitere nicht in der Kopplungsschaltung enthaltene Signalverarbeitungsschaltungen zur Verfügung stehen. Hierzu umfasst der erste Signalverarbeitungszweig vorzugsweise ein Filter und einen Analog-Digital-Wandler.
Außerdem dient die Signalverarbeitungsschaltung zur Umsetzung digitaler, von den weiteren Signalverarbeitungsschaltungen an der Ein-/Ausgangsklemme bereitgestellter digitaler Signale in durch den Transformator von der zweiten Wicklung an die erste Wicklung übertragbarer Signale. Hierzu umfasst der zweite Signalverarbeitungszweig einen Digital-Analog-Wandler und eine zwischen den Digital-Analog-Wandler und die zweite Wicklung geschaltete Treiberschaltung.
Die Ausführungsform, bei der dem Transformator das aus dem Spannungsversorgungsnetz gefilterte Datensignal zugeführt ist, setzt voraus, dass die Frequenz des Datensignals ausreichend hoch bzw. die Flanken des Datensignals ausreichend steil sind, um mit ausreichender Qualität über den integrierten Transformator übertragen zu werden. In oder auf einem Halbleiterkörper integrierte, üblicherweise keinen Transformatorkern aufweisende Transformatoren, sogenannte Corless Transformer, besitzen eine geringe Zeitkonstante, die die Übertragungsqualität eines solchen Transformators bei niederfrequenten Signalen bzw. bei Signalen mit flachen Flanken negativ beeinflusst. Eine Maßnahme zur Vergrößerung dieser Zeitkonstante ist die Verringerung des Leitungswiderstandes der Transformatorwicklungen, die durch eine Vergrößerung des Querschnitts der Wicklungen erreicht werden kann, wodurch sich allerdings der zur Realisierung der Spule erforderliche Platzaufwand erhöht.
Zur Vermeidung dieses Problems bei niederfrequenten Datensignalen ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, eine Signalverarbeitungsschaltung zwischen die erste Wicklung des Transformators und die netzseitigen Anschlussklemmen zu schalten, die das aus dem Netzspannungssignal ausgefilterte Datensignal "beschleunigt", das heißt dieses Signal in ein höherfrequentes zur Übertragung über den Transformator geeignetes Signal umsetzt oder die Flanken des Datensignals versteilert, um trotz geringer Zeitkonstante des Transformators aus den einzelnen Impulsen des Datensignal sekundärseitig Signale mit ausreichender Amplitude zu erzeugen.
Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst bei dieser Ausführungsform vorzugsweise einen ersten Signalverarbeitungszweig, der Daten verarbeitet, die von den netzseitigen Anschlussklemmen empfangen werden, und einen zweiten Signalverarbeitungszweig aufweist, der Daten verarbeitet, die von dem Transformator an die netzseitigen Anschlussklemmen übertragen werden.
An die zweite Wicklung ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise eine Signalverarbeitungsschaltung angeschlossen, die die Umsetzung von an der zweiten Wicklung anliegenden a nalogen Signalen in digitale Signale zur Weiterverarbeitung, und umgekehrt vornimmt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kopplungsschaltung mit einem Transformator und einer Signalverarbeitungsschaltung,
2 einen Halbleiterkörper mit einem integrierten Transformator und einem Halbleiterbereich für eine Signalverarbeitungsschaltung in Seitenansicht im Querschnitt (2A) und in Draufsicht im Querschnitt (2B),
3 eine detailliertere Darstellung einer Kopplungsschaltung nach 1,
4 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kopplungsschaltung mit einem Transformator und einer Signalverarbeitungsschaltung,
5 einen Halbleiterkörper mit einem integrierten Transformator und einem Halbleiterbereich für eine Signalverarbeitungsschaltung in Seitenansicht im Querschnitt,
6 eine detailliertere Darstellung einer Kopplungsschaltung nach 4,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterkörpers mit einem integrierten Transformator und einem Halbleiterbereich für eine Signalverarbeitungsschaltung,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterkörpers mit einem integrierten Transformator und Halbleiterbereichen für Signalverarbeitungsschaltungen,
9 eine Querschnittsdarstellung eines ersten Halbleiterkörpers mit einem integrierten Transformator und eines zweiten Halbleiterkörpers mit einer Signalverarbeitungsschaltung.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kopplungsschaltung für ein System zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz. Die Kopplungsschaltung umfasst einen Transformator TR mit einer ersten und zweiten Wicklung W1, W2, der in oder auf einem Halbleiterkörper integriert ist. Die Kopplungsschaltung weist netzseitige Eingangsklemmen K3, K4 auf, an die die erste Wicklung W1 des Transformators TR bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 unmittelbar angeschlossen ist. Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Kopplungsschaltung ist in 1 außerdem eine Filterschaltung FI dargestellt, die zwischen die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 der Kopplungsschaltung und Anschlussklemmen K1, K2 des Stormversorgungsnetzes geschaltet ist. Die Filterschaltung FI dient dazu, ein der Netzspannung Un aufmoduliertes hochfrequentes Datensignal auszufiltern und dieses hochfrequente Datensignal an den netzseitigen Eingangsklemmen K3, K4 der Kopplungsschaltung zur Verfügung zu stellen. Umgekehrt dient die Filterschaltung dazu, ein hochfrequentes Datensignal, welches durch die Kopplungsschaltung an den netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 zur Verfügung ge stellt wird, über die Netzanschlussklemmen K1, K2 in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen. Die Filterschaltung ist beispielsweise als Hochpassfilter ausgebildet.
Die Kopplungsschaltung umfasst in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weiterhin eine Signalverarbeitungsschaltung SV1, die an die zweite Wicklung W2 des Transformators TR angeschlossen ist. Diese Signalverarbeitungsschaltung SV1 ist an eine Ausgangsklemme K5, der Kopplungsschaltung angeschlossen. Die Signalverarbeitungsschaltung SV1 ist dazu ausgebildet, Signale, die von der Netzseite über den Transformator TR an die zweite Wicklung W2 übertragen werden, in ein digitales Signal umzusetzen, das an der Klemme K5 zur Weiterverarbeitung in einer nicht näher dargestellten Signalverarbeitungseinheit bereitgestellt wird. Umgekehrt dient die Signalverarbeitungsschaltung SV1 auch dazu, digitale durch die weitere Signalverarbeitungseinheit an die Klemme K5 gelieferte Signale in geeignete Signale für die Übertragung über den Transformator TR und die Filterschaltung FI an das Stromversorgungsnetz umzusetzen.
Der integrierte Transformator TR und die Signalverarbeitungsschaltung SV sind gemeinsam in einem Halbleiterchip IC1 integriert, was in 1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterchips IC1, in dem der Transformator TR und die Signalverarbeitungsschaltung SV1 integriert sind. Der Chip umfasst in dem Ausführungsbeispiel einen Halbleiterkörper 100, der im Bereich einer seiner Seiten, im vorliegenden Fall im Bereich der Vorderseite, einen Bereich aufweist, in den die Signalverarbeitungsschaltung SV1 integriert ist. Auf diese Seite des Halbleiterkörpers 100 ist eine Isolationsschicht 105, beispielsweise ein Halbleiteroxid oder eine Polyamidschicht aufgebracht, auf welche wiederum die zweite Wicklung W2 aufgebracht ist, die von einer Isolationsschicht 110 umgeben ist.
Auf diese Isolationsschicht 110 ist die erste Wicklung W1 des Transformators TR aufgebracht, die von einer weiteren Isolationsschicht 120 umgeben ist. Die beiden Wicklungen W1, W2 sind in Draufsicht spiralförmig ausgebildet, wie der in 2B dargestellte Querschnitt durch die erste Wicklung W1 zeigt. Der durch die Isolationsschicht 110 bedingte Abstand zwischen der ersten Wicklung W1 und der zweiten Wicklung W2 und das Material der Isolationsschicht ist so gewählt, dass eine ausreichende magnetische Kopplung der beiden Wicklungen W1, W2 bei einer ausreichenden Spannungsfestigkeit gewährleistet ist. Die Isolationsschicht besteht beispielsweise aus einem Fotoimid, einem Nitrid oder einem Oxid. Die Spannungsfestigkeit beträgt vorzugsweise einige 100V, um eine sichere Entkopplung der Netzseite von der Sekundärseite, an die die Signalverarbeitungsschaltung SV1 angeschlossen ist, zu gewährleisten.
Die dargestellte integrierte Schaltung mit dem Transformator TR und der Signalverarbeitungseinheit SV1 ist mittels herkömmlicher Halbleiterprozesse herstellbar. Dazu wird zunächst die Signalverarbeitungsschaltung SV1 in dem Halbleiterkörper erzeugt, auf den anschließend die Isolationsschicht 105 aufgebracht wird. In dieser Isolationsschicht 10 werden Kontaktlöcher für die zweite Wicklung W2 zum Anschluss an die Signalverarbeitungseinheit SV1 vorgesehen. Die zweite Wicklung W2 wird mittels herkömmlicher Verfahren als spiralförmig strukturierte Metallschicht hergestellt, auf der anschließend die Isolationsschicht 110 abgeschieden wird. Auf dieser Isolationsschicht 110 wird anschließend in entsprechender Weise wie bei Herstellung der zweiten Wicklung W2 die erste Wicklung W1 hergestellt, wobei in dem Ausführungsbeispiel Kontaktlöcher vorgesehen sind, in denen Anschlüsse der ersten Wicklung W1 an die Oberfläche des Halbleiterchips IC1 reichen, um die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 zu bilden.
Die Anschlussklemme K5, an der die durch die Signalverarbeitungsschaltung SV1 bereitgestellten digitalen Daten zur Ver fügung stehen, ist in der Darstellung gemäß 2 nicht eingezeichnet. Hierzu kann in den Isolationsschichten 110, 120 beabstandet zu den Wicklungen W1, W2 ein Kontaktloch vorgesehen werden, das bis in den Halbleiterbereich mit der Signalverarbeitungsschaltung SV1 reicht. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Isolationsschichten 110, 120 in seitlicher Richtung nicht bis zum Rand des Halbleiterkörpers 100 auszuführen, so dass am Rand ein Abschnitt des Halbleiterkörpers 100 bzw. der Isolationsschicht 105 freiliegt, an dem die Signalverarbeitungsschaltung SV1 kontaktiert ist, wobei die Signalverarbeitungsschaltung SV1 anders als in 2A dargestellt, selbstverständlich auch unterhalb der Wicklungen W1, W2 ausgebildet sein kann und bis zum Rand des Halbleiterkörpers 100 reichen kann.
3 zeigt eine detailliertere Darstellung der Kopplungsschaltung gemäß 1. Die Signalverarbeitungsschaltung SV1 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel zwei an die zweite Wicklung W2 angeschlossene Signalverarbeitungszweige 10, 20, die jeweils an die Ausgangsklemme K gekoppelt sind und von denen der Signalverarbeitungszweig 10 zur Verarbeitung der von der Netzseite eingehenden und über den Transformator TR übertragener Daten und der Signalverarbeitungszweig 20 zur Aufbereitung der über den Transformator TR an das Stromversorgungsnetz zu übertragender Daten dient.
Der erste Signalverarbeitungszweig 10 umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine Filterschaltung 11 zur Filterung eines an der zweiten Wicklung W2 anliegenden analogen Signals, eine der Filterschaltung 11 nachgeschaltete Treiberschaltung 12 zur Aufbereitung des gefilterten Signals 11 sowie einen Analog-Digital-Wandler 13, der das an der zweiten Wicklung W2 anliegende, gefilterte und aufbereitete Signal in ein digitales Ausgangssignal umwandelt, das über die Ausgangsklemme K5 einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 30, die der Vollständigkeit halber dargestellt ist, zugeführt wird. Für die Übertragung von Daten der Signalverarbeitungseinheit 30 auf die Netzseite umfasst der zweite Signalverarbeitungszweig 20 einen Digital-Analog-Wandler 21, der die eingehenden digitalen Signale in ein zur Übertragung über den Transformator TR geeignetes analoges Signal umsetzt, einen Übertragungspuffer 22 sowie eine Treiberschaltung, die das am Ausgang des Übertragungspuffers anliegende analoge Signal auf einen zur Übertragung über den Transformator TR geeigneten Pegel bringt. Der Übertragungspuffer ist beispielsweise ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von Eins, der dafür sorgt, dass das von der Verarbeitungsschaltung 30 gelieferte Eingangssignal nicht belastet wird, und ein belastbares Eingangssignal für die Treiberschaltung bereitstellt.
Die Kopplungsschaltung gemäß 3 setzt voraus, dass am Ausgang der Filterschaltung FI die in dem Beispiel als Hochpassfilter in Form eines RC-Glieds ausgebildet ist, ein aus dem Netz gefiltertes Datensignal anliegt, das so hochfrequent ist bzw. dessen Impulse so steile Flanken aufweisen, dass auch bei einem integrierten, keinen Spulenkern aufweisenden Transformator (= Corless Transformer) mit kleiner Zeitkonstante eine ausreichende Übertragungsqualität gewährleistet ist. Bekanntlich ist bei einem Transformator die Amplitude eines sekundärseitig abgreifbaren Signals bei Impulserregung auf der Primärseite abhängig von der Frequenz bzw. der Flankensteilheit der Impulse und nimmt mit zunehmender Frequenz bzw. Flankensteilheit zu.
Da derart hochfrequente Signale am Ausgang des Filters FI bei Datenübertragungen über ein Stromversorgungsnetz nicht immer gewährleistet sind, ist bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kopplungsschaltung eine Signalverarbeitungseinheit SV2 vorgesehen, die zwischen die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 und die erste Wicklung W1 geschaltet ist. Diese Signalverarbeitungsschaltung SV2 ist dazu ausgebildet, für den Datenempfang ein Datensignal DS, das an den netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 anliegt, in ein Signal mit höherer Frequenz bzw. mit versteilerten Flanken zur Über tragung über den Transformator TR umzusetzen. In Gegenrichtung, wenn ein Datensignal von der zweiten Wicklung W2 auf die erste Wicklung W1 übertragen wird, dient die Signalverarbeitungsschaltung SV2 dazu, dieses Datensignal zu verlangsamen, das heißt, dessen Frequenz zu reduzieren und/oder dessen Flanken abzuflachen und über das Filter FI und die Netzanschlussklemmen K1, K2 in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen.
Eine Erhöhung der Frequenz des Datensignals DS in der Signalverarbeitungsschaltung SV2 kann beispielsweise durch eine Kodierung des Datensignals DS erfolgen, wobei durch eine solche Kodierung dem Datensignal DS Redundanz für die Übertragung über den Transformator TR hinzugefügt werden und darüber hinaus die Datenrate erhöht wird. Für eine solche Kodierung können beliebige Codes vorgesehen werden, wobei im einfachsten Fall Wiederholungscodes verwendet werden, bei denen die in dem Datensignal DS enthaltenen Datensymbole mehrfach überholt und übertragen werden.
An die zweite Wicklung W2 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine Signalverarbeitungsschaltung SV1 angeschlossen, deren Funktionsweise der anhand der 1 und 3 zuvor erläuterten Signalverarbeitungsschaltung SV1 entspricht, wobei diese Signalverarbeitungsschaltung SV1 auch dazu dient, eine gegebenenfalls durch die Signalverarbeitungsschaltung SV2 hinzugefügte Kodierung durch entsprechende Dekodierung rückgängig zu machen.
Die zwischen die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 und die erste Wicklung W1 des Transformators TR geschaltete Signalverarbeitungsschaltung SV2 und die an die zweite Wicklung W2 angeschlossene Signalverarbeitungsschaltung SV1 sind in dem Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Transformator TR in einem Halbleiterchip IC2 integriert:
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Halbleiterchips IC1 in Seitenansicht im Querschnitt. Der Halbleiterchip umfasst einen ersten Halbleiterkörper 200 auf den eine Isolationsschicht 205 aufgebracht ist, auf die die erste Wicklung W1 aufgebracht ist. Diese erste Wicklung W1 ist in Draufsicht spiralförmig ausgebildet und von einer Isolationsschicht 210 umgeben. Der erste Halbleiterkörper 200 weist einen Halbleiterbereich aus, in dem die Komponenten der Signalverarbeitungsschaltung SV2 integriert sind. Die Isolationsschicht 210 der ersten Wicklung W1 reicht in dem Ausführungsbeispiel nicht bis an den Rand des Halbleiterkörpers 200, wobei im Bereich des Randes Kontaktanschlüsse vorgesehen sind, die die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 der Kopplungsschaltung bilden. Auf die Isolationsschicht 210 ist in dem Ausführungsbeispiel ein zweiter Halbleiterkörper 300 mit der zweiten Wicklung W2 aufgebracht. Diese zweite Wicklung W2 befindet sich auf einer Isolationsschicht 310 oberhalb der Halbleiterkörpers 300, wobei der Halbleiterkörper 300 einen Halbleiterbereich aufweist, in dem die Komponenten der Signalverarbeitungsschaltung SV1 integriert sind. Die zweite Wicklung W2 ist in nicht näher dargestellter Weise durch die Isolationsschicht 310 mit diesem Halbleiterbereich verbunden. Die Anordnung gemäß 5 kann mittels einer sogenannten Chip-on-Technologie hergestellt werden. Hierbei werden zunächst die beiden Halbleiterkörper 200, 300 mit den darauf aufgebrachten Wicklungen W1, W2 separat hergestellt, wobei anschließend der zweite Halbleiterkörper 300 auf der Isolationsschicht 210 oberhalb des ersten Halbleiterkörpers 200 befestigt wird.
6 zeigt die Signalverarbeitungsschaltung SV2 der Kopplungsschaltung gemäß 4 in detaillierterer Darstellung. Diese Signalverarbeitungsschaltung SV2 umfasst einen ersten Signalverarbeitungszweig 30 für Daten, die über das Netz empfangen werden, und einen zweiten Signalverarbeitungszweig 40 für Daten, die über das Netz übertragen werden. Der erste Signalverarbeitungszweig 30 umfasst in dem Ausführungsbei spiel eine Filterschaltung 31 sowie eine dem Filter 31 nachgeschaltete Treiberschaltung 32, die das gefilterte Signal in ein zu übertragendes, für den Transformator TR geeignetes Signal umsetzt. Die Treiberschaltung 32 bewirkt außerdem eine gewünschte Beschleunigung der über den Transformator zu übertragenden Signale.
Der zweite Signalverarbeitungszweig 40 umfasst einen Übertragungspuffer 41 sowie eine dem Puffer nachgeschaltete Treiberschaltung 42. Der Puffer ist beispielsweise ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von Eins, der das üblicherweise schwache über den Transformator übertragene Signal nicht belastet, und für die Treiberschaltung ein belastbares Eingangssignal bereitstellt. Die Treiberschaltung 42 dient zur Umsetzung des von dem Transformator TR empfangenen Signals in ein Signal, das eine für die Übertragung über das Stromnetz geeignete Amplitude aufweist.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Integration eines Transformators TR und einer Signalverarbeitungsschaltung SV2 in einem Halbleiterkörper 400. In diesem Halbleiterkörper 400 sind die erste Wicklung W1 und die zweite Wicklung W2 benachbart zueinander in Gräben des Halbleiterkörpers realisiert, wobei die erste Wicklung W1 in dem Ausführungsbeispiel einen größeren Querschnitt als die zweite Wicklung W2 aufweist und sich weiter in den Halbleiterkörper 400 hinein erstreckt. In einer nicht näher dargestellten Draufsicht sind beide Wicklungen spiralförmig ausgebildet. Die erste Wicklung W1 ist gegenüber dem Halbleiterkörper und der zweiten Wicklung W2 mittels einer Isolationsschicht 410, beispielsweise aus einem Halbleiteroxid, isoliert. Die zweite Wicklung W2 ist gegenüber dem Halbleiterkörper 400 in dem Ausführungsbeispiel nicht isoliert und besteht beispielsweise aus einem hochdotierten Halbleitermaterial. Die Signalverarbeitungsschaltung SV2 ist ebenfalls in dem Halbleiterkörper 400 integriert und in dem Ausführungsbeispiel lediglich schematisch dargestellt. Der Halbleiterbereich mit der Signalver arbeitungsschaltung SV2 ist beispielsweise mittels eines pn-Übergangs gegenüber den übrigen Bereichen des Halbleiterkörpers und damit gegenüber der zweiten Wicklung W2 isoliert. Eine Kontaktierung der zweiten Wicklung W2 durch die Signalverarbeitungsschaltung SV1 erfolgt in dem Beispiel über oberhalb des Halbleiterkörpers 400 ausgebildete Leitungsverbindungen, die schematisch dargestellt sind. Ebenfalls nur schematisch dargestellte Anschlüsse der ersten Wicklung W1 bilden die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Integration eines Transformators mit ersten und zweiten Wicklungen W1, W2 sowie mit einer ersten und zweiten Signalverarbeitungsschaltung SV1, SV2. Die Integration des Transformators bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 entspricht der anhand von 7 erläuterten Integration, wobei in dem Halbleiterkörper 400 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 die beiden Signalverarbeitungsschaltungen SV1, SV2 integriert sind. Die netzseitigen Anschlussklemmen K3, K4 sind in dem Ausführungsbeispiel an die Signalverarbeitungsschaltung SV2 angeschlossen, während die zweite Wicklung W2 über Leitungsverbindungen an die Signalverarbeitungsschaltung SV1 angeschlossen ist. Die Halbleiterbereiche mit den Signalverarbeitungsschaltungen SV1, SV2 sind beispielsweise mittels pn-Übergängen gegenüber den übrigen Bereichen des Halbleiterkörpers 400 isoliert.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kopplungsschaltung, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Transformator mit den ersten und zweiten Wicklungen W1, W2 in einem ersten Halbleiterkörper 500 und eine Signalverarbeitungsschaltung SV1 in einem zweiten Halbleiterkörper 600 integriert ist. Die beiden Wicklungen W1, W2 sind in dem Ausführungsbeispiel übereinander in Gräben des Halbleiterkörpers 500 integriert, wobei die Wicklungen W1, W2 gegeneinander und gegenüber dem Halbleiterkörper 500 mittels einer Isolationsschicht 510 isoliert sind. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Wicklung W2 auf dem ersten Halbleiterkörper 500 zu der Signalverarbeitungsschaltung SV2 auf dem zweiten Halbleiterkörper 600 erfolgt über externe, in 9 schematisch eingezeichnete Leitungsverbindungen 701, 702 von Anschlusspads der zweiten Wicklung W2 auf Anschlusspads 703, 704 des zweiten Halbleiterkörpers 600, wobei diese Anschlusspads 703, 704 über elektrisch leitende Verbindungen 705, 706 mit der Signalverarbeitungsschaltung SV1 verbunden sind, die wiederum an die Ausgangsklemme K5 angeschlossen ist. Der Vorteil, den Transformator TR und die Signalverarbeitungsschaltung SV1 in separaten Halbleiterkörpern unterzubringen besteht darin, dass keine den Bereich mit der Signalverarbeitungsschaltung SV1 umgebende Isolation in dem zweiten Halbleiterkörper 600 erforderlich ist.
Zusammenfassend kann durch Verwendung eines integrierten Transformators in einer Kopplungsschaltung für ein System zur Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz eine einfach zu realisierende und platzsparende Kopplungsschaltung hergestellt erden, wobei zur weiteren Platzersparnis eine Signal-Verarbeitungsschaltung vorzugsweise in dem selben Halbleiterkörper wie der Transformator integriert ist.

C: Kondensator
FI: Filterschaltung
IC1, IC2: integrierte Schaltung
K1, K2: Netzanschlussklemmen
K3, K4: netzseitige Anschlussklemmen
K5: Anschlussklemme
R: Widerstand
SV1, SV2: Signalverarbeitungsschaltungen
TR: Transformator
W1: erste Wicklung
W2: zweite Wicklung
10: erster Signalverarbeitungszweig
11: Filterschaltung
12: Treiberschaltung
13: Analog-Digital-Wandler
20: zweiter Signalverarbeitungszweig
21: Digital-Analog-Wandler
22: Übertragungspuffer
23: Treiberschaltung
30: Signalverarbeitungsschaltung
30: erster Signalverarbeitungszweig
31: Filterschaltung
32: Treiberschaltung
40: zweiter Signalverarbeitungszweig
41: Übertragungspuffer
42: Treiberschaltung
100: Halbleiterkörper
200: Halbleiterkörper
300: Halbleiterkörper
310: Isolationsschicht
105, 110, 120: Isolationsschicht
400: Halbleiterkörper
410: Isolationsschicht
205, 210: Isolationsschicht
500: Halbleiterkörper
510: Isolationsschicht
600: Halbleiterkörper
701, 702: Leitungsverbindungen
703, 704: Anschlusspats
705, 706: Leitungsverbindungen

Claims

Kopplungsschaltung für ein Datenübertragungssystem für die Datenübertragung über ein Stromversorgungsnetz, die folgende Merkmale aufweist: – Netzseitige Anschlussklemmen (K3, K4) für die Kopplung an ein Stromversorgungsnetz (K1, K2), – einen Transformator (TR) mit einer ersten und zweiten Wicklung (W1, W2), wobei die erste Wicklung (W1) an die netzseitigen Anschlussklemmen (K3, K4) gekoppelt ist, – wenigstens eine Signalverarbeitungsschaltung (SV1; SV2), dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (TR) als in oder auf wenigstens einem Halbleiterkörper (100; 200, 300; 400) integrierter Transformator ausgebildet ist.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 1, bei dem die Signalverarbeitungsschaltung (SV1, SV2) als integrierte Schaltung ausgebildet ist, wobei der Transformator (TR) in oder auf demselben (100; 200, 300; 400) Halbleiterkörper wie die Signalverarbeitungsschaltung (SV1; SV2) integriert ist.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 1, bei dem der Transformator (TR) und die Signalverarbeitungsschaltung (SV1; SV2) in unterschiedlichen Halbleiterkörpern (500, 600) integriert sind.
Kopplungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Signalverarbeitungsschaltung (SV2) an die zweite Wicklung (W2) des Transformators (TR) angeschlossen ist.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 4, bei der die Signalverarbeitungsschaltung (SV1) einen ersten Signalverarbeitungs zweig (10) aufweist, der Daten verarbeitet, die von den netzseitigen Anschlussklemmen (K3, K4) über den Transformator (TR) empfangen werden, und einen zweiten Signalverarbeitungszweig (20) aufweist, der Daten verarbeitet, die über den Transformator (TR) an die Netzseitigen Anschlussklemmen (K3, K4) übertragen werden.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 5, bei der die Signalverarbeitungszweige an eine Ein-/Ausgangsklemme (K5) der Signalverarbeitungsschaltung (SV1) angeschlossen sind.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der erste Signalverarbeitungszweig (10) ein Filter (11) und einen Analog-Digital-Wandler (13) aufweist.
Kopplungsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der zweite Signalverarbeitungszweig (20) einen Digital-Analog-Wandler (21) und eine zwischen den Digital-Analog-Wandler und die zweite Wicklung (W2) geschaltete Treiberschaltung (23) aufweist.
Kopplungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Signalverarbeitungsschaltung (SV3) zwischen die netzseitigen Anschlussklemmen und die erste Wicklung (W1) geschaltet ist.
Kopplungsschaltung nach Anspruch 9, bei der die Signalverarbeitungsschaltung (SV2) einen ersten Signalverarbeitungszweig (30) aufweist, der Daten verarbeitet, die von den netzseitigen Anschlussklemmen (K3, K4) empfangen werden, und einen zweiten Signalverarbeitungszweig (20) aufweist, der Daten verarbeitet, die von dem Transformator (TR) an die netzseitigen Anschlussklemmen (K3, K4) übertragen werden.
Verwendung eines in oder auf einem Halbleiterkörper integrierten Transformators (TR) in einer Kopplungsschaltung für ein Datenübertragungssystem für die Übertragung von Daten über ein Stromversorgungsnetz.